Zaprti vir sevanja je vir sevanja, katerega zgradba je taka, da v predvidenih razmerah uporabe in obrabe ter ob predvidljivih nezgodah preprečuje kakršnokoli razpršitev radioaktivnih snovi v okolje.

Odprti vir sevanja je vir sevanja, katerega oblika in zgradba ne ustrezata zahtevam varstva pred sevanji, ki veljajo za zaprti vir sevanja, tako da je mogoča razpršitev radioaktivnih snovi v okolje.

Rentgenska naprava je vir sevanja, ki nastaja v rentgenski cevi z interakcijo in ustavljanjem pospešenih elektronov na kovinskih tarčah.

Pospeševalnik delcev je umetni vir sevanja, ki zaradi pospeševanja delcev oddaja ionizirajoče sevanje z energijo, večjo od 1 megaelektronvolta (MeV).

Vire sevanja uporabljamo:
•    v industriji,
•    pri raziskavah in
•    v medicini.

Rentgenske cevi pa uporabljamo za:
    industrijsko radiografijo,
    kontrolo prtljage in pošiljk ter
    analitsko radiografijo.

Ionizirajoče sevanje pomeni prenos energije v obliki molekularnih, atomskih in subatomskih delcev ali elektromagnetnih valov valovne dolžine 100 nanometrov ali manj oziroma frekvence 3 × 1015 hercev ali več, ki lahko neposredno ali posredno povzroči tvorbo ionov.

Zaščitna sposobnost ščita pomeni debelino snovi, s katero je zaščiten vir sevanja, in je lahko izražena z ekvivalentno debelino svinca (Pb) v milimetrih. V tem članku bomo obravnavali projektiranje in izvedbo zaščite proti ionizirajočemu sevanju in X-žarkom, kar je vezano na zaprte vire, rentgenske naprave in pospeševalnike.

Pri projektiranju in gradnji posameznih struktur in zgradb, namenjenih zaščiti proti ionizirajočemu sevanju in radioaktivnemu žarčenju (nuklearna medicina, protiatomska zaklonišča, jedrska industrija …), imamo predpisano uporabo vnaprej predvidenih zaščitnih sistemov (z razporeditvijo v smislu pojemajočega učinka).

V resnici pa povezava, v mejah učinkovite zaščite, med materiali, na katere se sklicujemo, ni tako neposredno odvisna oziroma preprosta. Kar zadeva delovanje posamezne vrste vira in njegov potencial, je treba občasno zaščito znova in dobro proučiti. Pri izvedbi ščitov s konglomerati (težkimi betoni) lahko z gotovostjo presodimo, da zaščitna učinkovitost narašča z vrednostjo njihove prostorninske mase. Kakorkoli že, težki betoni in ometi nam – z dopuščanjem zmanjšanja debeline ščita in ob enakih učinkih zaslonov – v primerjavi z običajnim betonom in ometom ponujajo še posebno zanimive rešitve, ki lahko presegajo 40 odstotkov.



Nakazane lastnosti opredeljujejo posebne konglomerate, imenovane težki betoni ali težki baritni betoni, ki zahtevajo natančno in izkustveno projektiranje svežih mešanic ter dodatno pomoč z uporabo gotovo pripravljenih agregatov in posebnih agensov.

Vrsta težkih betonov, baritnih ali drugih, je določena predvsem s prostorninsko maso (težo na kubični meter), ki je običajno predpisana v območju od 2700 do 3700 kilogramov na kubični meter, medtem ko se za navadne betone giblje med 2300 in 2450 kilogrami na kubični meter.


Pogled na kamnolom barita

STOPNJE IZPOSTAVLJENOSTI IN IZBIRA ZAŠČITE

Uporaba virov ionizirajočega sevanja dopušča določeno tveganje oziroma nevarnost, ki na splošno zadeva osebje, ki te vire upravlja, drugo osebje ali del populacije (določene skupine), ki je lahko le občasno izpostavljen nevarnosti, pa tudi celotno populacijo.


 
Potreba po določitvi stopenj nevarnosti oziroma tveganja zahteva razmejitev na posebne cone, ki so znane kot kontrolirane cone, v katerih se ti viri uporabljajo in v katerih dela pripadajoče osebje, ki jim je izpostavljeno zaradi poklicnih razlogov. Imenujemo jih poklicna izpostavljenost.

Cone, ki obdajajo izpostavljene oziroma kontrolirane cone in imajo mnogo nižje stopnje izpostavljenosti, imenujemo nadzorovane cone. Dostop do kontroliranih in nadzorovanih con je dopusten le za določene skupine.

Nujnost razmejitve con na različne stopnje izpostavljenosti okoli virov sevanja v splošnem zahteva vgradnjo zaslonov oziroma zaščit, izdelanih iz različnih materialov in različnih debelin, ki so odvisne od vrste vira in načina uporabe. Viri, ki jih običajno uporabljamo tako v industriji kot na medicinskem področju in tudi pri biomedicinskih raziskavah, proizvajajo snope elektromagnetnega valovanja (X-žarki, gama žarki), medtem ko se na fizikalnem raziskovalnem področju uporabljajo tudi druge vrste sevanja.

Z upoštevanjem zahtevnosti zaščite pred viri X-žarkov oziroma rentgenskih ali gama žarkov se med materiali, ki pridejo v poštev za zaščito, uporabljajo:
•    svinec v ploščah, zaprtih v panele ali neposredno nameščenih na nosilne elemente talnih in stropnih plošč in sten;
•    baritni betoni v obliki predizdelanih (prefabriciranih) elementov ali uliti na kraju samem.

Svinčeni paneli se prednostno uporabljajo za zaščito oziroma za zaslone proti virom X- in Y-žarkov, in sicer do energijske ravni 300 kVp, ker svinec izkazuje tudi koeficient zmanjšanja jakosti, ki je pri teh energijskih ravneh zelo visok. Pri aparaturah oziroma virih z manjšo močjo sevanja se zato uporabljajo svinčene plošče, pritrjene na določen nosilni element, ali baritni ometi na betonskih ali drugih stenah in baritni zaključni tlaki v obliki estrihov ali AB-plošč iz običajno zgoščenega betona.

Pri virih X- in Y-žarkov na energijski ravni od 600 do 1000 kVp in več se prednost uporabe svinca očitno zmanjša, medtem ko postane z ekonomskega vidika uporaba zaščite z baritnim betonom mnogo bolj ugodna in realna možnost.

V okviru varovanja pred sevanjem moramo upoštevati Zakon o varstvu pred ionizirajočimi sevanji in jedrski varnosti (Ur. l. RS, št. 102/2004, ZVISJV-UPB-2) ter druge pripadajoče zakone in pravilnike.

BARIT – TEŽEC

Barit (BaSO4 – barijev sulfat) je mineral z visoko prostorninsko maso in vsebnostjo kemijskega elementa barija (Ba), ki sodi med zemljoalkalijske kovine. Barij je v trdnem agregatnem stanju z videzom kovine, podobne kalciju, vendar bolj reaktivne, z visokim atomskim številom (Z = 56) in pripada skupini oziroma periodi II.S/6.5. Glavne značilnosti barita so naštete v preglednici št. 1.


Minerali barita

BARITNI BETON IN OMET – EKVIVALENT ZAŠČITE

Če pripravimo svežo mešanico betona ali malte s cementom in vodo ter kot agregat uporabimo frakcije barita – te uporabimo v enakem razmerju kot pri normalnem betonu, le z zamenjavo frakcij običajnega kamenega agregata (apnenčastega, kremenčevega, dolomitnega in drugega običajnega ali mešanega agregata) z baritnim –, dobimo sestavino z veliko večjo gostoto (3.400 kilogramov na kubični meter) kot pri normalnem betonu (2.400 kilogramov na kubični meter) in z zelo izboljšanimi lastnostmi zmanjšanja oziroma ublažitve vplivov žarčenja. Razlika v osnovnih materialih za sestavo običajnega in težkega betona je predstavljena v preglednici št. 2.



Razumljivo je, da se za določene načrtovane učinke strjenega betona ali popravljanje reoloških lastnosti svežega betona lahko uporabijo različne kombinacije agregatov, in sicer tako, da se k baritnim agregatom dodajo običajni ali še kovinski.

Priprave in vgradnje težkih betonov ne smemo zanemariti ali jemati na lahko, ker lahko napake ali pomanjkljivosti prinesejo tveganja v smislu doseganja dejansko zahtevanih lastnosti ščitov. Med mešanjem imajo baritni agregati tendenco drobljenja in spreminjanja v prah. Poleg tega lahko razlika v teži težkih agregatov povzroča segregacijo in sedimentacijo, ki ju moramo preprečiti. Razen omenjenega trenje med mešanjem povzroča povečevanje in pospeševanje eksotermične reakcije.


Frakcija agregata za beton

Že na podlagi pojasnitve doseganja čim večje prostorninske mase betona je mogoče ugotoviti, da voda pomeni najlažjo komponento cementnega konglomerata. Zato je treba poskrbeti, da se količina zamesne vode kar najbolj zmanjša, s tem da obdržimo zaželeno konsistenco (obdelavnost) betona ter tako dosežemo čim lažjo in popolnejšo zapolnjenost konstrukcijskih elementov.

Zaradi zgoraj navedenih razlogov je pri pripravi težkih baritnih betonov primerno uporabiti posebne dodatke in upoštevati ustrezne smernice. To lahko naredimo z izboljšanjem reologije in kohezivne obdelavnosti betona ter sočasnim spodbujanjem količine vode za kristalizacijo in po tej poti z ustvarjanjem dodatnega vira vodika za ujetje nevtronov.

Pri ustvarjanju posebnih mešanic svežega težkega betona so nekateri proizvajalci kemijskih in mineralnih dodatkov za betone razvili posebne kemijske dodatke. Za dodatno povečevanje prostorninske mase, trdnosti in žilavosti težkih betonov se priporoča tudi vgradnja jeklenih vlaken (jeklene mikroarmature).

Ko primerjamo baritni beton z navadnim, nam uporaba baritnega betona, že glede na X-žarke energijske ravni od 50 do 100 kVp, omogoča znatno zmanjšanje debeline zaščitnih sten, razlika pa postaja vse pomembnejša za višje energijske ravni, kjer se zahtevajo še bolj zgoščene in debelejše (ovirajoče) zaščitne stene.

Za energijske ravni, ki se uporabljajo za medicinsko zdravljenje ali za gama žarke (gamagrafija), postane baritni beton cenovno zelo ugoden tudi v primerjavi s svincem. Preglednica št. 3 ponazarja nekatere pomnoževalne faktorje za navadni in baritni beton v primerjavi s svincem za izračun debelin potrebne zaščite, z zagotovitvijo oziroma projekcijo enakovrednih zaščit proti nekaterim energijskim ravnem X-žarkov.

V preglednici št. 4 pa so navedeni nekateri praktični primeri izračuna zaščit (zaslonov) za okolja diagnostike in medicinskega zdravljenja.




Če se frakcije baritnega agregata proizvedejo po strogo kontrolirani krivulji zrnavosti za sestavo betona, se lahko brez težav dosegajo popolnoma homogene mešanice svežih baritnih betonov z visokimi prostorninskimi masami, ki so primerni za vgradnjo v opaž in s tem za oblikovanje zaščitnih ovir.

Inertna baritna zrna za baritne betone se praviloma proizvajajo v skladu s SIST EN 12620 pod sistemom 2 +. Ta se glede na prostorninsko maso (gostoto) gibljejo okoli 3300 kilogramov na kubični meter. Uporabljajo se za izdelavo bunkerjev z visokimi energijami žarčenja, v bolnišničnih zgradbah, za univerzitetne laboratorije in pri oddelkih za hrambo radioaktivnih snovi oziroma sestavin.

Gotove suhe mešanice malt za omete se izdelujejo v skladu s standardom za omete SIST EN 13139 pod sistemom 2 + v zameno za 1 do 2 milimetra svinca. Uporabljajo se za obloge sten in po potrebi stropov oddelkov za radiologijo, oddelkov z napravami za računalniško aksialno tomografijo in prostore zobozdravstvenega študija.

Za zaščitne notranje in zunanje obloge za objekte oziroma okolja, ki že obstajajo, nekateri proizvajalci izdelujejo predizdelane cementne bloke iz baritnega betona s popolnim spahovanjem po načelu lastovičjega repa, z debelinami od 4,5 do 10 centimetrov, z enostavno aplikacijo tako, da je mogoče doseči oblikovanje kakovostnih zaščit brez vsakršnih nepovezanosti (diskontinuitet).

Z baritnimi betonskimi bloki debeline od 10 do 15 centimetrov dosegamo prostorninske mase približno 3.400 kilogramov na kubični meter in težo približno 17 kilogramov. Uporabljamo jih za izdelavo zidov in oblog stropov mansardnih ali prenovljenih oddelkov sanitarne fizike (linearni pospeševalniki, ciklotroni, sinhrotroni).

Za posebne namene se izdelujejo tudi betonski bloki iz kombinacije baritnega agregata in granuliranega svinca, tako da dosegajo prostorninsko maso približno 4000 kilogramov na kubični meter. Možne so tudi druge kombinacije z raznimi granuliranimi plavžnimi žlindrami.

Suhe gotovo pripravljene malte za izdelavo zaščitnih ometov pred ionizirajočim sevanjem se navadno pripravljajo kot grobe, zrnavosti od 0 do 8 milimetrov, za doseganje projektirane debeline in izravnavo neravnosti površin, in kot fine zrnavosti od 0 do 2 milimetra za fino izravnavo, ki pomeni že fino površino, pripravljeno za pleskanje. Zaradi težkega agregata in pogosto možnosti doseganja dobre medzrnske zapolnjenosti agregata so za dobro obdelavnost in zmanjšanje odpadka suhi mešanici malte dodani tudi ustrezni posebni dodatki. Suhe gotove mešanice malte so primerne za uporabo v ionizirajočemu sevanju izpostavljenih prostorih bolnišnic, zdravstvenih domov, raziskovalnih laboratorijev …

V preglednici št. 5 so prikazane za izbrane debeline ometa ustrezne debeline svinčenih plošč za različne jakosti sevanja in v preglednici št. 6 fizikalno-mehanske lastnosti strjenih malt zaščitnih ometov enega izmed proizvajalcev.

SKLEP

Za pravilno projektiranje in izvedbo težkih betonov obvezno potrebujemo natančne podatke, ki zajemajo dejansko predpisano prostorninsko maso, značilno trdnost, dimenzije zgradbe, količino in razporeditev armature in drugo. Na podlagi čim bolj popolno izoblikovanih zahtev se lahko izdelajo posebni dokumenti, ki so predstavljeni z dokončno recepturo za pripravo svežega betona ter tehnično-tehnološkimi navodili za pripravo, transport, vgradnjo in nego betona (projekt betona). Če gre za objekte z veliko nevarnostjo sevanja, priporočamo, da projektant in/ali izvajalec del pridobi še natančne podatke o stopnjah sevanja, ki so lahko v različnih smereh različne, in jih prouči glede na projektne zahteve. Treba je biti pozoren tudi na vse preboje, zlasti na odprtine prezračevanja objektov.

Ker pri nas nimamo delujočega kamnoloma in/ali separacije za proizvodnjo barita, smo vezani na uvoz. Opozoriti pa je treba, da so pri nekaterih dobaviteljih težave s čistostjo agregata oziroma doseganjem predvidenih prostorninskih mas in včasih umazanijo, pa tudi neustrezno zrnavostjo agregata, tako da v nekaterih primerih z dobavljenim materialom težko dosežemo prostorninske mase 3000 kilogramov na kubični meter, imamo pa lahko težave tudi s segregacijo, naknadno sedimentacijo in doseganjem dobre zalitosti zrn agregata. V ta namen, zlasti pri zahtevah po visokih prostorninskih masah (od 3200 do 3500 kilogramov na kubični meter), je pametno vzorce izbranega agregata odvzeti in opraviti predhodne preiskave. Zaradi velike drobljivosti agregata se večinoma projektirajo betoni z največjim zrnom agregata 25 oziroma 22 milimetrov.

Zdeslav Jamšek, univ. dipl. inž. grad.